ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 09.08.2019
Просмотров: 9482
Скачиваний: 23
181
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 121 (к)
Эффект Комптона
Цель работы: экспериментальное подтверждение с помощью
компьютерной модели закономерностей эффекта Комптона и
определение комптоновской длины волны электрона.
Методика измерений
В
данной
работе
исследуется
комптоновское
рассеяние
рентгеновских лучей на атомах вещества. Подробно закономерности
эффекта Комптона рассмотрены в разделе 10.3.
Согласно полученной формуле (10.33) в этом случае в рассеянном
излучении наряду с основным излучением с длиной волны
появляется излучение с большей длиной волны :
)
cos
1
(
С
(10.47)
где
-
угол, под которым отлетает рассеянный фотон,
12
e
0
С
10
4
,
2
c
m
h
м – комптоновская длина волны электрона.
Порядок выполнения работы
Запустить программу, подведя маркер мыши под значок "Открытая
физика.1.1" на рабочем столе компьютера и дважды щѐлкнув левой
кнопкой
мыши.
Выбрать
раздел
«Квантовая
физика»
и
«Комптоновское рассеяние» (рис.10.10).
Рис. 10.10
10.8
182
Рассмотреть внимательно рисунок и, подведя маркер мыши к
любому рычажку, несколько раз изменить характеристики, наблюдая,
как меняется картина рассеяния фотона на электроне в вакууме.
Зарисовать схему эксперимента в свой конспект лабораторной
работы. Дописать, если необходимо, нужные формулы (кнопка с
изображением страницы служит для вызова теоретических сведений).
1. Нажать мышью кнопку «Старт» вверху экрана.
2. Подвести маркер мыши к движку регулятора длины волны
падающего фотона и установить первое, из полученных вашей
бригадой от преподавателя значений длины волны .
3. Подвести маркер мыши к движку регулятора угла θ рассеянного
фотона и установить первое значение 60
0
из табл.6.4.
4. Записать значение длины волны
΄ рассеянного фотона в
соответствующую графу табл.6.4.
5. Изменять угол наблюдения с шагом 20
0
, записывая измеренные
значения ΄ в соответствующие строки табл.10.7.
Таблица 10.7
λ = ______ нм
№
п.п.
θ
град
нм
cos
1
–
пм
1
60
2
80
3
100
4
120
5
140
6
160
Таблица 10.8
λ = ______ нм
№
п.п.
θ
град
нм
cos
1
–
пм
1
60
2
80
3
100
4
120
5
140
6
160
183
Таблица 10.9
λ = ______ нм
№
п.п.
θ
град
нм
cos
1
–
пм
1
60
2
80
3
100
4
120
5
140
6
160
6. Изменить значение длины волны
падающего фотона в
соответствии со следующим значением для вашей бригады. Повторить
измерения по п.п. 4, 5 длины волны
рассеянного фотона, заполняя
сначала табл.10.8, а затем и табл.10.9.
7. Вычислить и записать в табл.10.7, 10.8, 10.9 величины
)
cos
1
(
и
8. Построить график зависимости комптоновского смещения
от разности
)
cos
1
(
для одного из предложенных
значений длины волны.
9. Определить угловой коэффициент наклона k полученной прямой
и по нему согласно формуле (10.47) значение комптоновской длины
волны электрона:
k
C
.
(10.48)
10. По всем построенным в лабораторной работе графикам
провести анализ результатов и сделать выводы.
11. Вычислить относительную погрешность измерения по формуле:
%
100
)
(
)
(
теор
С
теор
C
C
,
где (
C
)
теор
– теоретическое значение комптоновской длины волны
электрона (10.47)
Контрольные вопросы
1. Что
такое эффект Комптона? Напишите формулу для
комптоновской длины волны электрона.
2. Почему эффект Комптона удается наблюдать лишь в опытах с
рентгеновским излучением?
184
3. Почему в рассеянном излучении присутствует исходная длина
волны?
4. Почему
при рассеянии высокоэнергетических γ-квантов
несмещенной частоты не наблюдается?
5. Объяснить полученные в таблицах данные для различных длин
волн падающего излучения.
Вопросы по разделу 10
1. Основные характеристики теплового излучения: энергетическая
светимость и спектральная плотность энергетической светимости тела.
2. Коэффициент поглощения тела. Понятие абсолютно черного
тела.
3. Закон Кирхгофа и следствия из него.
4. Спектр излучения абсолютно черного тела.
5. Законы теплового излучения для абсолютно черного тела.
6. Понятие серого тела. Законы теплового излучения для серого тела.
7. Постулат и формула Планка. Как из формулы Планка можно
получить законы Стефана– Больцмана и Вина?
8. Напишите выражения для импульса и энергии фотона.
9. Внешний фотоэффект. Установка для исследования внешнего
фотоэффекта.
10. Вольт амперная характеристика вакуумного фотоэлемента. Ток
насыщения и задерживающее напряжение.
11. Как
изменится
вид
вольт амперной
характеристики
фотоэлемента при изменении интенсивности падающего излучения?
12. Как
изменится
вид
вольт амперной
характеристики
фотоэлемента при изменении частоты падающего излучения?
13. Законы внешнего фотоэффекта.
14. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта и его обоснование с
помощью закона сохранения энергии и зонной теории.
15. Красная граница фотоэффекта.
16. Что такое эффект Комптона? Какие законы сохранения
выполняются при взаимодействии фотона с электроном в эффекте
Комптона?
17. Что такое комптоновская длина волны частицы? Напишите
формулу для комптоновской длины волны электрона.
18. Выведите формулу для комптоновского смещения.
19. Как меняется энергия фотона при его комптоновском
рассеянии?
20. В чѐм проявляется корпускулярно-волновой дуализм света в
эффекте Комптона?
185
Р А З Д Е Л 11
Атомная физика
11.1 Теория Бора
Теория Бора является первой попыткой аналитического описания
закономерностей строения атома и спектра его излучения. В этой
теории Бор наряду с классическим рассмотрением движения электрона
в атоме сделал ряд допущений, противоречащих классическим
представлениям. Теория Бора дает хорошее согласование с
экспериментом только для атома водорода и водородоподобных
атомов (ионов), из которых удалены все электроны, кроме одного.
В основе теории два постулата:
1. В атоме существует ряд дискретных стационарных состояний,
которым соответствуют определенные значения энергии атома Е
1
, Е
2
и
т.д. В стационарном состоянии атом не излучает и не поглощает
энергии.
Дискретные стационарные состояния в теории Бора отбираются с
помощью ―правила квантования орбит‖: момент импульса электрона на
стационарной орбите кратен постоянной Планка
2
h
n
mvr
,
(11.1)
где
...
,
2
,
1
n
– номер орбиты, m – масса электрона, v – скорость
электрона на орбите с номером n, r радиус орбиты.
2. Переходя из одного стационарного состояния в другое атом
излучает и поглощает квант энергии = h , равный разности энергий
n
E и
n
E двух стационарных состояний
n
n
E
E
h
.
(11.2)
Чтобы по теории Бора рассчитать параметры электрона в атоме
(скорость, радиус орбиты, энергию), необходимо также записать
уравнение второго закона Ньютона для движения электрона по орбите.
Полагаем, что заряд ядра атома q = Z e (где e = 1,6 10
–19
Кл
элементарный заряд); из атома удалены все электроны, кроме одного; и
электрон вращается по круговой орбите вокруг неподвижного ядра.
Тогда второй закон Ньютона будет иметь вид
r
v
m
r
4
Ze
2
2
0
2
,
(11.3)